宁波天安(集团)有限公司研究员盛晓艳、许德勤在2019年第7期《电气技术》杂志上指出，抗震试验是核电1E低电压开关柜的重要内容之一，其目的是通过在模拟地震试验台上进行振动试验，检验样机的抗震性能和0+值功能部件的作用。

基于首次抗震试验结果，对低压开关柜的结构进行分析，提出相应的改进方案，并通过对比改进前后的试验结果，验证结构改进的有效性。为了改善开关柜结构的抗震性能，提供了一种解决方案。

地震的破坏力是巨大的，会给地面建筑、电力设备、通讯设备等带来毁灭性的破坏。汶川地震后，如何在震后快速恢复电力设备的运行，给低电压开关柜的设计者和制造商带来了新的问题。

由于目前行业内没有统一的低电压开关柜抗震试验标准或相关规范要求，本文以核电1E设备鉴定中的抗震试验部分为讨论对象，寻求一个广泛适用于行业内的开关柜抗震性能改进方案。

1个1E级核电

对于核电厂，1E级被定义为电气系统设备的安全等级。必须完成反应堆紧急停堆、安全壳隔离、反应堆堆芯紧急冷却、反应堆废热输出、反应堆厂房热输出以及防止大量放射性物质排放到周围环境的功能。1E级低电压开关柜时，其安全功能包括:1E级配电；1E级负荷和其他重要设施的供电和控制。

设备鉴定

设备鉴定是通过分析、测试或运行经验获得证据，以确保设备能够按要求尽快投入运行并满足系统性能要求。其实质是提供书面证据，证明被评估对象在设计基准事件期间和之后的规定时间内，能够在核电厂相应的运行条件下可靠地执行所需的安全功能。

地震鉴定是设备鉴定的一部分。地震试验主要是验证1E 开关柜级的S1地震(运行参考地震OBE)和S2地震(安全停堆地震SSE)的结构和安全完整性在合格寿命期间和之后仍能保持。

3 开关柜抗震性能测定

结构或物体的自然振动频率取决于其自身的物理特性(质量、弹性和阻尼分布)以及减震器和支架的自由振动频率。对于核电1E级低压开关柜来说，设备被焊接并固定到铺设在地面或楼板上的基础槽钢上，而没有减震器。

当原型和试验台之间的固定模态相同时，通过对比试验测得的自振频率是评估开关柜抗震性能的更直观的方法。某个方向上开关柜的固有频率越高，该方向上开关柜的抗震能力越强。

4 开关柜改进前的基本框架结构

本文讨论的测试原型是1E级MNS低电压开关柜。开关柜遵循业界流行的设计理念和实践，采用完全组装的结构。开关柜基本框架结构由C型钢组装而成。l形角板用于将框架的立柱与深梁和横梁连接起来。自攻螺钉用于将连接件与型材紧固在一起。

为了提高开关柜的抗震性能，1E低压开关柜框架的外柱采用C型钢双连接结构，型钢由平面连接板固定，扣件也采用自攻螺钉。开关柜骨架的基本结构如图1所示，拼接部分的结构如图2所示。

图1 开关柜骨架的基本结构

图2改进前开关柜剖面的拼接结构

5改进前开关柜自然频率测量

开关柜固有频率测量是地震测试的一个步骤。试验是在模拟地震试验台上进行的。安装现场用20毫米厚的钢板模拟楼板。开关柜连接到基础上，开关柜通过焊接连接到钢板上，钢板通过螺栓固定到地震试验台上。

一组加速度传感器(X、Y和Z方向)分别安装在测试原型框架顶部的左侧和右侧，用于监测地震输入运动和开关柜框架的响应。采用白噪声随机波扫描法(即x、y、z方向为0.5~50Hz，白噪声输入为0.1~0.2g，振动持续时间为120秒)求出x、y、z轴的固有振动频率开关柜的频率。

改进前开关柜抗震试验原型是我公司核安全1E级鉴定时制作的抗震试验原型。改进前的固有振动频率见表1 开关柜由试验确定。抗震试验报告显示开关柜框架结构变形，紧固螺钉松动。在测试过程中，很明显可以观察到开关柜顶部摇摆。

表1 开关柜改进前的自然频率

6 开关柜框架结构分析

6.1 开关柜框架结构螺纹连接强度分析

针对开关柜抗震试验后出现的螺钉松动现象，对开关柜的框架装配和螺钉连接紧固进行了分析。

开关柜框架组件中使用的紧固件是M6(GB/T 6560)自攻螺钉，螺距为1毫米；连接件上开口均为通孔；C型材板的厚度为2mm。不难看出，板与螺钉之间只啮合1 ~ 2个螺纹，连接强度取决于C段的材料强度。

在开关柜的生产过程中，如果零件需要多次拆卸和组装，那么C型面上的模块孔在多次攻丝后很容易损坏。这也意味着，在通过自攻螺钉和自攻钢丝在C形截面上进行抗震试验的过程中，存在螺纹连接失效的风险。

6.2 开关柜框架结构抗震性能分析

在核安全1E级鉴定过程中，公司委托上海核工程研究设计院对抗震试验样机的结构进行抗震计算和应力评估。采用有限元方法对自重荷载作用下低压开关柜的原型结构进行了静力分析、模态分析和动力响应分析。计算和评估结果表明，0+框架结构的应力小于构件本身的应力极限，最大应力出现在柱底。

开关柜的框架在每个平面上都是一个矩形结构，属于一个特殊的平行四边形。它的结构构件很容易被外力移位。此外，从图2中不难发现，在立柱、横梁和深梁的连接处仅实现了每个平面的二维连接。两个双节立柱通过其末端的L形连接板分别与横梁和深梁连接；在X、Y、Z方向地震冲击的合力作用下，结构构件之间的相对位移引起开关柜框架变形的风险相对较高。

7 开关柜框架结构改进措施

7.1 开关柜框架结构螺纹连接的加强措施

由于开关柜框架结构已经基本定型，C形截面的形状、材料厚度和材料质量没有改进的余地，考虑增加螺纹副的连接长度，以提高螺纹的连接强度。基于这一思想，通过利用型材的内部空间，在型材上增加带螺纹孔的塞子，将自攻螺钉改为六角头螺栓，并延长螺栓的长度，可以提高螺纹连接的强度。

7.2 开关柜框架结构抗震性能加固措施

综上所述，当开关柜框架结构已基本定型，结构构件的强度满足要求时，应优先加强结构构件之间的连接和定位，以避免结构构件在外力作用下的相对位移，提高框架结构的抗震性能。

用三角形支撑板(角板)代替L形连接件，可以更好地保证立柱、横梁和深梁之间的垂直度。但是，考虑到开关柜主母线的连接和柜间控制电缆交叉的需要，可以安装角板的拼接位置非常有限，无法达到提高开关柜框架结构抗震性能的目的。因此，认为设计三维节点是为了同时保证柱、深梁和横梁在三维空间的定位和连接强度，从而提高开关柜框架结构的抗震性能。

三维连接器的形式在图3中示出，通过该三维连接器可以完成双连接立柱的端部轮廓之间的定位。立柱、横梁和深梁的接头定位和连接；通过连接件，立柱可以在X、Y、Z三个方向上与横梁和深梁相连；连接件的开口尺寸保证了型材之间的相对位置，从而达到提高开关柜框架结构抗震性能的目的。

改进后的8 开关柜抗震试验

开关柜结构改进后的抗震试验原型是核电项目的抗震试验原型。试验样机的安装方法和加速度传感器的布置方法与结构改进前一致。通过白噪声随机波扫描测得的开关柜的改进固有频率如表2所示。

图3修改开关柜剖面的拼接结构

表2改进开关柜自然振动频率

通过比较表1和表2，不难发现改进前在X方向和Y方向上的固有频率开关柜为10.3赫兹和8.8赫兹；分别是。改进后开关柜，X方向的固有频率为12Hz，Y方向的固有频率为11Hz。两者都有显著改善。这表明开关柜的抗震性能经过改进后有了很大的提高，上述改进措施是有效可行的。

摘要

根据核电工程的抗震要求，分析了开关柜框架结构的薄弱环节，提出了针对性的改进措施，并通过实验手段验证了改进措施的有效性。

综上所述，在开关柜框架结构构件的刚度和强度满足要求的情况下，通过三维连接件实现立柱、横梁和深梁之间的定位，避免结构构件之间发生相对位移；通过增加插头增强螺纹连接强度，提高开关柜框架抗震性能效果明显，实施简单方便。

这种改进方法也可以推广到工业中的常规产品，为提高开关柜产品的抗震性能提供了一种参考方案。